第2章土的渗透

1、第二章第二章 土的渗透性和渗流问题土的渗透性和渗流问题 透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙板桩围护下的基坑渗流板桩围护下的基坑渗流渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡渗流滑坡渗流渗流量量渗透变渗透变形形渗水压渗水压力力渗流滑渗流滑坡坡土的渗透性及渗透规律土的渗透性及渗透规律二维渗流及流网二维渗流及流网渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形扬压扬压力力土坡稳定分析土坡稳定分析挡水建筑物挡水建筑物 集水建筑物集水建筑物 引水结构物引水结构物 基坑等地下施工基坑等地下施工边坡渗流边坡渗流 2.1 2.1 土的渗透性与渗透规律土的渗透性与渗透规律 一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降二渗透试验

2、与达西定律二渗透试验与达西定律能量方程能量方程渗流速度的规律渗流速度的规律一渗流中的水头与水力坡降一渗流中的水头与水力坡降ABL透水层透水层不透水层不透水层基坑基坑板桩墙板桩墙ABLh1h2zAwAu wBu zBh h00基准面基准面水力坡降线水力坡降线g2vuzh2w wAA1uzh wBB2uzh hhh21 wuzh Lhi 总水头总水头单位质量水体所具有的能量单位质量水体所具有的能量z：位置水头：位置水头u/u/w w：压力水头：压力水头V2/(2g)：流速水头流速水头00A A点总水头：点总水头：B B点总水头：点总水头：总水头：总水头：水力坡降：水力坡降：二二. . 渗透试验与渗

3、透试验与达西定律达西定律试验前提：试验前提：层流层流h，Q A，Q L， QLhAQ 断面平均流速断面平均流速水力坡降水力坡降AQv Lhi iv 1.1.渗透试验渗透试验试验结果试验结果试验装置：试验装置：如图如图试验条件试验条件: : h1，A，L=const量测变量量测变量: : h2，V，Th=h1-h2Q=V/T2.2. 达西定律达西定律ikv nvvvs 渗透定律在层流状态的渗流中，渗透速度在层流状态的渗流中，渗透速度v v与水力坡降与水力坡降i i的一次方成正比，并与土的性质有关。的一次方成正比，并与土的性质有关。iv 注意：注意：AAvAAnv V V：假想渗流速度，土体试样全

4、断面的平均渗流速度：假想渗流速度，土体试样全断面的平均渗流速度V Vs s：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度：实际平均渗流速度，孔隙断面的平均渗流速度A AvQVA VsAvk: k: 反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数反映土的透水性能的比例系数，称为渗透系数物理意义：水力坡降物理意义：水力坡降i i1 1时的渗流速度时的渗流速度单位：单位：mm/s, cm/s, mm/s, cm/s, m/sm/s, m/day, m/day粗粒土：粗粒土：砾石类土中的渗流不符合达西定律砾石类土中的渗流不符合达西定律砂土中渗透速度砂土中渗透速度 vcr= =0.3-0.5cm/s 适用条件适用

5、条件ivovcrivoi0层流（线性流）层流（线性流）大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较大部分砂土，粉土；疏松的粘土及砂性较重的粘性土重的粘性土 两种特例两种特例粘性土：粘性土：致密的粘土致密的粘土 ii0, v=k(i - i0 )1m(kivm 2.2 2.2 平面渗流与流网平面渗流与流网 zx一一. . 流网的概念流网的概念 h 在在xz平面内的稳定平面渗流场中，平面内的稳定平面渗流场中，水从高水位处流向低水位处，从高压水头水从高水位处流向低水位处，从高压水头处流向低压水头处，水质点必然形成流线，处流向低压水头处，水质点必然形成流线，沿着流线势能也必然降低。沿着流线势能也必然降低。 沿

6、着每条流线，水流的势能由高到低，沿着每条流线，水流的势能由高到低，把各条流线上势能相等的点连成线，这样的把各条流线上势能相等的点连成线，这样的连线称为等势线，沿着一组流线必然形成一组等势线。连线称为等势线，沿着一组流线必然形成一组等势线。 一组流线和一组等势线交织成的网，称为流网。一组流线和一组等势线交织成的网，称为流网。因为水流必定沿着最大水力梯度的方向流动，所以流线因为水流必定沿着最大水力梯度的方向流动，所以流线与等势线必然垂直，即流网形成正交的网格。与等势线必然垂直，即流网形成正交的网格。流线流线0zhxh2222 Laplace方程方程在稳定流的情况下，在均匀且各向同性在稳定流的情况下

7、，在均匀且各向同性 介质中的渗流，其渗流介质中的渗流，其渗流场可以用拉普拉斯方程表示。场可以用拉普拉斯方程表示。 流函数流函数 02222zx等势线等势线02222zx势函数势函数 解析方法解析方法适用于边界条件简单的情况适用于边界条件简单的情况 通解：两个共轭调和函数通解：两个共轭调和函数势函数势函数( (x,zx,z) )流函数流函数( (x,zx,z) )等势线等势线流线流线相互正交相互正交边界条件边界条件特定解特定解注意：只有在边界条件很简单的条件下，才能得到解析解。因为求解注意：只有在边界条件很简单的条件下，才能得到解析解。因为求解拉普拉斯方程很困难，所以，绘制流网是一种近似作图法。

8、拉普拉斯方程很困难，所以，绘制流网是一种近似作图法。二二. .流网的绘制及应用流网的绘制及应用 流流 网网渗流场中的两族相互正交曲线渗流场中的两族相互正交曲线等势线和流线所形成的等势线和流线所形成的网络状曲线簇。网络状曲线簇。 流流 线线水质点运动的轨迹线。水质点运动的轨迹线。 等势线等势线测管水头相同的点之连线测管水头相同的点之连线 。 流网法流网法通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。通过绘制流线与势线的网络状曲线簇来求解渗流问题。Hh0 基本要求基本要求1. 正交性：流线与等势线必须正交正交性：流线与等势线必须正交Hh0lsls2. 各个网格的长宽比各个网格的长宽比c应为常数。

9、取应为常数。取c=1c=1，即为曲边正方形即为曲边正方形3. 在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。在边界上满足流场边界条件要求，保证解的唯一性。ABCDlsHh h00ls 绘制方法绘制方法一个高精度的流网图，需经过一个高精度的流网图，需经过多次的修改后才能完成。多次的修改后才能完成。根据渗流场根据渗流场的边界条件的边界条件确定边界流线确定边界流线和首尾等势线和首尾等势线正交性正交性曲边正方形曲边正方形初步绘制流网初步绘制流网流线流线等势线等势线反复修改，调整反复修改，调整精度较高的流网图精度较高的流网图 流网特点流网特点与上下游水位变化无关与上下游水位变化无关 hh=const=c

10、onst；与与k k无关；无关；等势线上各点测管水头等势线上各点测管水头h h相等。相等。Hh0lsls 测管水头测管水头 h h 实际应用实际应用l /Hi ）（zhhiiikv HMkMqq;HkslHkqiiii 确定孔压确定孔压 确定流速确定流速 确定流量确定流量流道数M 水力坡降水力坡降Hh0lsls2.3 2.3 渗透力与渗透变形渗透力与渗透变形 一一. . 渗透力渗透力 试验观察hh=0 =0 静水中，土骨架会受到浮力作用。静水中，土骨架会受到浮力作用。hh0 0 水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对土骨水在流动时，水流受到来自土骨架的阻力，同时流动的孔隙水对

11、土骨架产生一个摩擦、拖曳力。架产生一个摩擦、拖曳力。渗透力渗透力 j j 渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。渗透作用中，孔隙水对土骨架的作用力，方向与渗流方向一致。渗透变形渗透变形渗透力渗透力h1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a bh1hh200hwL土样土样滤网滤网贮水器贮水器a b土粒土粒渗渗 流流j渗透力的性质渗透力的性质物理意义：物理意义：单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力单位土体内土骨架所受到的渗透水流的拖曳力，它是体积力j = wi大小：大小：方向：方向：与渗流方向一致与渗流方向一致作用对象：作用对象：土骨架土骨架基本类型基本类

12、型 二二. .渗透变形（渗透破坏）渗透变形（渗透破坏） 流土流土管涌管涌土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏土工建筑物及地基由于渗流作用而出现的变形或破坏形成条件形成条件 防治措施防治措施 粘性土粘性土k1k2砂性土砂性土k2坝体坝体1.1. 基本类型基本类型 流土流土在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象在向上的渗透作用下，表层局部土体颗粒同时发生悬浮移动的现象crii0JW 和和土土的的密密实实程程度度有有关关eGiscr 11 渗流渗流原因：原因：i icr :土体处于稳定状态土体处于稳定状态土体发生流土破坏土体发生流土破坏土体处于临界状态土体处于临界状态管

13、涌管涌原因：原因：内因内因 有足够多的粗颗粒形有足够多的粗颗粒形成大于细粒直径的孔隙成大于细粒直径的孔隙外因外因渗透力足够大渗透力足够大 在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗在渗流作用下，一定级配的无粘性土中的细小颗粒，通过较大颗粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。粒所形成的孔隙发生移动，最终在土中形成与地表贯通的管道。管涌管涌破坏流土与管涌的比较流土与管涌的比较 流土流土土体局部范围的颗粒同时土体局部范围的颗粒同时发生移动发生移动管涌管涌只发生在水流渗出的表层只发生在水流渗出的表层只要渗透力足够大，只要渗透力足够大，可发生在任何土中可发生在任何土中破坏过程短破坏过程短导致下游坡面产生局部滑动等导致下游坡面产生局部滑动等现象现象位置位置土类土类历时历时后果后果土体内细颗粒通过粗粒形成土体内细颗粒通过粗粒形成的孔隙通道移动的孔隙通道移动可发生于土体内部和渗流可发生于土体内部和渗流溢出处溢出处一般发生在特定级配的一般发生在特定级配的无粘性土或分散性粘土无粘性土或分散性粘土破坏过程相对较长破坏过程相对